水资源水量-水质综合保护下充实率及粒径级配设计方法技术

本发明专利技术提供了一种水资源水量

【技术实现步骤摘要】
水资源水量
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水质综合保护下充实率及粒径级配设计方法


[0001]本专利技术涉及采矿工程领域，具体而言，涉及一种水资源水量
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水质综合保护下充实率及粒径级配设计方法。

技术介绍

[0002]煤炭资源作为我国的主导能源，其绿色安全高效开采是我国的重大战略需求。在煤炭资源开采过程中，采用传统的垮落法开采煤炭资源，极易对矿区水资源的“水量”造成影响，损失大量的矿区地下水资源。同时，随着煤炭资源的高强度开采，导致大量废弃矸石被堆积至地表形成矸石山，造成土地资源的大量浪费与周边土壤、水体的污染，此外，矸石自燃产生的有毒有害气体还会造成大气环境的严重污染。
[0003]固体充填采煤技术作为一种环境友好型采煤技术，在控制覆岩移动破坏和保护水资源“水量”的基础之上，可有效利用地面与井下矸石，实现地面生态环境保护。然而，当矸石被大规模充入采空区后，虽然可以对矿区水资源的“水量”进行有效保护，但矸石充填体在矿井水的长期作用后，内部重金属离子会发生浸出与扩散，对矿区水资源的“水质”造成影响。因此，如何兼顾固体充填采煤下矿区水资源“水量”和水资源“水质”综合保护是急需解决的难题。
[0004]覆岩导水裂隙带发育高度会决定矿区水资源的“水量”是否会大量损失，固体充填采煤的充实率大小会直接影响到覆岩导水裂隙带发育高度，同时，充实率的大小与矸石粒径级配紧密相关，直接影响重金属离子的浸出与扩散，对矿区水资源的“水质”造成严重影响。
[0005]专利公布号为CN109555556A的中国专利技术专利，公开了一种面向耕地保护的固体充填采煤充实率设计方法，该方法收集研究区域的地址采矿条件、水文条件资料，利用等价采高模型，获取固体充填采煤不同充实率下地表移动与变形预计参数，进而利用概率积分法及得到的充填采煤地表移动与变形预计参数计算不用充实率下的地表移动与变形值，最后根据采集到的研究区域的地质信息以及地面耕地的设防指标，设计面向耕地保护的固体充填采煤充实率。
[0006]专利公布号为CN109209380A的中国专利技术专利，公开了一种矿山采选充控开采设计方法，该方法为针对不同工程背景下控制对象的不同控制要求进行设计，并反算充实率的控制要求，再由充实率确定选择不同的充填工艺、分选工艺，通过协调控制回采、井下煤矸分选和充填工艺能够实现对地表下沉、冲击矿压和含水层的控制。
[0007]专利公布号为CN103513281A的中国专利技术专利，公开了一种固体充填采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，该专利技术的固体充填采煤覆岩导水裂隙带发育高度预计方法，以工程地质条件信息与岩石力学实验为基础，采用数值模拟与多元回归分析相结合的方法，得到充实率、采高M与导水裂隙带发育高度H的关系表达式，然后依据充填采煤实际工程参数，即设计充实率实际采高M
c
，计算出覆岩导水裂隙带发育高度H
c
。
[0008]上述现有技术存在如下问题：没有考虑到充填体内部重金属离子的浸出与扩散对
矿区水资源的“水质”造成的影响；多从阻止地表沉陷、耕地破坏以及保护上覆含水层水资源“水量”的单一角度出发，并没有综合性考虑煤炭开采对矿区水资源“水量”和“水质”的影响；仅仅只对充实率进行了设计，并没有确定最优的矸石粒径级配；实施较为繁琐，成本较高，实际应用的代价过大。

技术实现思路

[0009]本专利技术的主要目的在于提供一种水资源水量
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水质综合保护下充实率及粒径级配设计方法，包括以下步骤：步骤一：获取矿区固体充填开采工作面采高M，上覆岩层载荷σ，矸石破碎后最大粒径D，上隔离保护层厚度h1和下隔离保护层厚度h2；所述的上隔离保护层厚度h1为煤层与顶板含水层之间的距离，下隔离保护层厚度h2为煤层与底板含水层之间的距离；步骤二：采集矿区煤岩体岩样，利用岩石力学实验测试待测煤岩体岩样物理力学参数，所述物理力学参数包括体积模量、剪切模量、抗拉强度、内聚力、内摩擦角和密度；同时测试煤层与底板含水层之间待测煤岩体岩样的渗透系数和孔隙率；利用电感耦合等离子体发射光谱仪测试不同充实率下矸石充填材料经去离子水浸泡后内部重金属离子的浸出浓度；步骤三：基于步骤一获取的采高M以及步骤二待测煤岩体岩样的物理力学参数，借助UDEC数值模拟软件建立不同充实率下覆岩导水裂隙带发育模型，得到不同充实率下覆岩导水裂隙带发育高度；基于步骤一获取的采高M以及步骤二得到的煤层与底板含水层之间待测煤岩体岩样的渗透系数、孔隙率以及不同充实率下重金属离子浸出浓度，借助COMSOLMultiphysics数值模拟软件建立不同充实率下重金属离子扩散模型，得到不同充实率下重金属离子扩散距离；步骤四：对比上隔离保护层厚度h1与不同充实率下覆岩导水裂隙带发育高度，得到上隔离保护层未被完全破坏时，基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值；对比下隔离保护层厚度h2与不同充实率下重金属离子扩散距离，得到下隔离保护层未被重金属离子贯穿时，基于矿区水资源“水质”保护下充实率θ2的阈值；其中，基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值为矿区水资源“水量”尚未受到影响，但覆岩导水裂隙带发育高度趋近于上隔离保护层厚度h1时对应的充实率；基于矿区水资源“水质”保护下充实率θ2的阈值为矿区水资源“水质”尚未受到影响，但重金属离子扩散距离趋近于下隔离保护层厚度h2时对应的充实率；步骤五：根据步骤四基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值与基于矿区水资源“水质”保护下充实率θ2的阈值建立最优充实率判别关系式：θ1≤θ2；当θ1与θ2的值满足关系式时，确定固体充填工作面的最优充实率为θ
优
＝θ2，此时仅依靠最优充实率就可达到矿区地下水资源“水量”与“水质”不遭受损伤的目的；当θ1与θ2的值不满足关系式时，确定固体充填工作面的最优充实率为θ
优
＝θ1，并同时对固体充填工作面采取地下水“水质”保护技术，从而实现矿区水资源“水量”与“水质”的综合保护；其中，地下水“水质”保护技术包括充填材料处理加工技术以及建立隔离层技术；步骤六：基于步骤一得到的矸石破碎后的最大粒径D，利用泰波公式计算得到不同矸石粒径级配，具体公式如下：
[0010][0011]式中，P为矸石各粒径的通过率，％；d为矸石中各粒径，mm；D为矸石的最大粒径，mm；n为级配系数，取0.3～0.7；通过计算分别得到n取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7时的矸石粒径级配c1、c2、c3、c4、c5；步骤七：对不同矸石粒径级配进行压缩实验，利用MTS电液伺服试验机
对不同矸石粒径级配进行压缩实验，得到不同矸石粒径级配下的应力
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应变曲线，并基于步骤一所获取的上覆岩层载荷σ以及步骤五所得到的最优充实率θ
优
，确定最优矸石粒径级配c。
[0012]本专利技术技术结合固体充填采煤技术，将废弃矸石充入采空区，有效利用地表和井下废弃矸石，并根据矿井实际地质条件，综合考虑煤炭开采对矿区水资源“水量”的影响问题以及充填体内部重金属离子浸出扩散对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水资源水量
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水质综合保护下充实率及粒径级配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：获取矿区固体充填开采工作面采高M，上覆岩层载荷σ，矸石破碎后最大粒径D，上隔离保护层厚度h1和下隔离保护层厚度h2；所述的上隔离保护层厚度h1为煤层与顶板含水层之间的距离，下隔离保护层厚度h2为煤层与底板含水层之间的距离；步骤二：采集矿区煤岩体岩样，利用岩石力学实验测试待测煤岩体岩样物理力学参数，所述物理力学参数包括体积模量、剪切模量、抗拉强度、内聚力、内摩擦角和密度；同时测试煤层与底板含水层之间待测煤岩体岩样的渗透系数和孔隙率；利用电感耦合等离子体发射光谱仪测试不同充实率下矸石充填材料经去离子水浸泡后内部重金属离子的浸出浓度；步骤三：基于步骤一获取的采高M以及步骤二待测煤岩体岩样的物理力学参数，借助UDEC数值模拟软件建立不同充实率下覆岩导水裂隙带发育模型，得到不同充实率下覆岩导水裂隙带发育高度；基于步骤一获取的采高M以及步骤二得到的煤层与底板含水层之间待测煤岩体岩样的渗透系数、孔隙率以及不同充实率下重金属离子浸出浓度，借助COMSOLMultiphysics数值模拟软件建立不同充实率下重金属离子扩散模型，得到不同充实率下重金属离子扩散距离；步骤四：对比上隔离保护层厚度h1与不同充实率下覆岩导水裂隙带发育高度，得到上隔离保护层未被完全破坏时，基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值；对比下隔离保护层厚度h2与不同充实率下重金属离子扩散距离，得到下隔离保护层未被重金属离子贯穿时，基于矿区水资源“水质”保护下充实率θ2的阈值；其中，基于矿区水资源“水量”保护下充实率θ1的阈值为矿区水资源“水量”尚未受...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云，刘永孜，闫保旭，来兴平，薛熠，杨彦斌，刘嘉，梁鑫，张楠，童亮，何伟，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：